大连化物所Angew：智能非牺牲界面实现无负极锂金属电池99.3%库伦效率

第一作者：尹倩文

通讯作者：姜明*，杨晓飞*，李先锋*

单位：中国科学院大连化学物理研究所，安徽大学滁州研究院

无负极固态锂金属电池（AF-SSLMBs）因兼具锂金属负极高理论比容量（3860 mAh g⁻¹）和固态电解质高安全性优势，被视为下一代高能量密度储能体系的重要方向。然而，该体系面临严峻挑战：传统铜集流体上锂沉积/溶解可逆性差，且电解液持续分解导致活性锂库存快速耗尽。特别是在无负极构型中，由于缺乏过量锂储备，任何不可逆的锂损失都会直接转化为容量衰减，成为商业化应用的瓶颈。当前广泛采用的LiNO3等牺牲型添加剂虽能一定程度改善界面，但需通过初始循环阶段的完全分解消耗（转化为Li3N、Li2O等无机组分）才能建立SEI，这一过程持续消耗电池中有限的活性锂。因此，开发能够在首圈即形成并持久稳定存在的非牺牲型智能界面，成为该领域的迫切需求。

近日，中国科学院大连化学物理研究所李先锋研究员、杨晓飞研究员与安徽大学姜明老师合作，在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition上发表题为"A Smart Non-Sacrificial Interphase for Improved Lithium Reversibility in Anode-Free Solid-State Lithium Metal Batteries"的研究论文。该工作提出了"智能非牺牲界面"（Smart Non-Sacrificial Interphase, SNI）新概念，选用5-硝基-2-巯基苯并咪唑（N-MBI）作为电解液添加剂，利用其自适应状态转变特性（沉积前自组装-沉积时原位转化-循环中持久保护），构建了超薄且功能持久的分子级界面层，显著提升了无负极电池的锂可逆性和循环寿命。

本研究明确区分了"非牺牲"与"无化学变化"的概念：非牺牲不等于无化学变化，而是指添加剂衍生物在循环中持续发挥保护功能，而非像牺牲型添加剂那样被完全消耗并失效。

牺牲型（如LiNO3）：经历完全不可逆分解，转化为无机产物（Li3N、Li2O等），添加剂在初始循环后即被完全消耗，不再存在，而SEI的形成则依赖于这些分解产物；

非牺牲型（N-MBI）：仅发生选择性官能团转化（硝基→氨基），核心的苯并咪唑共轭骨架和锚定硫位点完整保留。生成的Li-NH2-MBI表现出强界面粘附性，随后在整个循环周期内持久吸附在锂表面，不溶解、不进一步分解。

"智能"体现在界面层的环境自适应能力：沉积前通过Cu─S键自发组装成保护层；沉积初期原位化学转化为Li-NH2-MBI；循环中始终保持强界面粘附，自适应地维持对电解质的阻隔和对锂沉积的引导功能。

与传统牺牲型添加剂需要多次循环才能建立SEI不同，N-MBI通过分子自组装在锂沉积前即在铜集流体表面形成有序保护层：

自发组装：N-MBI在Cu(111)面的吸附能（-2.12 eV）远高于电解液中的LiFSI（-0.36 eV）和溶剂pDOL（-1.44 eV），N-MBI以平躺式构型在铜集流体表面自组装形成纳米级致密保护层，有效覆盖集流体表面缺陷；

原位转化：接触锂金属后，N-MBI荧光信号放生了蓝移，通过质谱等表征手段证实N-MBI被还原为Li-NH2-MBI。形成的Li-NH2-MBI SNI同时实现物理隔离（阻隔电解液与锂金属直接接触，抑制寄生反应）和智能引导（引导锂离子在其下方均匀成核生长，防止枝晶）。随着金属锂的沉积，TOF-SIMS检测到C7H5N2⁻、CLiN2S-等归属于Li-NH2-MBI的特征碎片仍均匀分布在沉积锂上层，证明Li-NH2-MBI始终稳定地吸附在沉积的金属锂上表面，发挥双重功能作用。

低能垒传输：DFT计算表明Li-NH2-MBI的锂离子迁移能垒仅0.31 eV，远低于常规无机SEI组分（LiF: 0.81 eV, Li₂O: 1.12 eV）。变温EIS测得其活化能（55.14 kJ mol-1）低于LiNO₃体系（55.91 kJ mol-1），确保均匀快速Li+传输；

致密无枝晶沉积：FIB-SEM显示N-MBI体系中锂沉积呈均匀致密的块状形貌，而非LiNO3体系的疏松枝晶状。临界电流密度（CCD）提升至14 mA cm-2/14 mAh cm-2，对称电池可稳定循环500小时以上。

实用化软包电池性能：Cu||LiFePO₄软包电池在0.2C下100圈后容量保持率达52.4%，较LiNO3体系（32.8%）提升19.6%；在0.5C高倍率下循环55圈后容量保持率79.9%，循环100圈后仍可保持55.3%。

A Smart Non-Sacrificial Interphase for Improved Lithium Reversibility in Anode-Free Solid-State Lithium Metal Batteries

李先锋，研究员，博士生导师。现任中国科学院大连化学物理研究所副所长，储能技术研究部部长。国家杰出青年科学基金获得者（2019年获批、2025年获延续资助），享受国务院政府特殊津贴。长期从事电化学储能技术的基础研究和产业化开发工作。成果获国家技术发明二等奖、中国科学院杰出科技成就奖、中国科学院科技促进发展奖、辽宁省技术发明一等奖、中国石油和化学工业联合会专利金奖技术发明一等奖、中国石油和化学工业联合会专利金奖等科技奖励。个人获青山科技奖，科学探索奖等奖励。在Nat. Energy、Nat. Chem. Eng.、Nat. Sustain.、 J. Am. Chem. Soc.、 Energy Environ. Sci.、 Angew. Chem. Int. Ed.、 Nat. Commun.等杂志发表SCI论文400余篇，引用37000余次。申报授权发明专利200余件。担任Journal of Membrane Science Letters, Science Bulletin、Journal of Energy Chemistry, Sustainable Energy & Fuels (RSC)等期刊编委, 任Chemical Science, Chinese Chemical Letter, Advanced Membranes, Renewables等杂志副主编。

杨晓飞，中国科学院大连化学物理研究所研究员，博士生导师，中国科学院专项人才计划获得者，国际先进材料协会会士（IAAM Fellow），辽宁省优秀青年基金获得者，辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖人才，大连化物所“张大煜青年学者”，2022~2025连续入选斯坦福大学全球前2%顶尖科学家。研究方向为固态电池关键材料合成、界面设计及器件制备。主持科技部重点研发计划青年科学家项目、中科院专项人才计划、国家自然科学基金面上、GF科技创新特区等项目10余项。发表SCI论文130余篇，其中，以第一/通讯作者Chem. Soc. Rev. (2), Natl. Sci. Rev., Energy Environ. Sci. (3), Adv. Mater. (3), Angew. Chem. Int. Ed. (3)等国际重要刊物上发表文章50余篇，被引11000余次，H指数57。申请中国专利70余项。担任eScience，Journal of Energy Chemistry，Carbon Energy，Ecomat，Renewables，Materials Today Energy等杂志青年编委和客座编辑。

尹倩文，中国科学院大连化学物理研究所储能技术研究部博士毕业生，主要研究方向为储能技术，专注于固态锂金属电池及其界面工程。

储能技术研究部隶属于中国科学院大连化学物理研究所，同时隶属于我国能源领域筹建的第一个国家实验室-洁净能源国家实验室（DNL）。针对可再生能源发电及智能电网建设对大规模储能技术及电动车发展对高比能量动力电池的重大需求，重点研究储能电池用关键材料、核心部件及电池系统设计、优化、集成技术，开展应用示范，力争建成为在国内外有重要影响力的储能技术研发平台。研究部共设有创新型电池核心技术、全钒液流电池技术、储能系统设计与示范、储能电池设计与标准化、锌基液流电池技术、电池新体系6个研究组。始终坚持以人为本的方针，重视人才队伍建设，通过培养和引进相结合，加强团队建设，团队现有人员100余人，研究员10人，副研究员13人，院百人计划3人，万人计划2人，院青促会4人，享受国务院政府特殊津贴2人。拥有中国科学院电化学储能技术工程实验室、国家能源液流储能电池技术重点实验室、国家地方联合工程研究中心、辽宁省发改委新型固定式电化学储能技术工程研究中心等多个研发平台。现有科研、办公、实验用房3686平方米，能够满足高水平工艺研究、新技术开发、电池关键材料和系统研究与测试评价等需求，为研究部提供了重要的科研条件保障。

研究部面向国家战略重大需求，坚持“产、学、研、用”的创新开发机制，不断推动储能技术和装备在发电侧、输电侧、配电侧及用户侧的示范应用。近年来在液流电池储能技术方面取得了系列进展。解决了液流电池关键材料、高性能电堆和大规模储能系统集成等关键科学和工程问题，取得了一系列技术突破。完成了从实验室基础研究到产业化应用的发展过程，基于团队技术支撑完成实施了包括全球规模最大的100MW/400MWh国家级液流电池储能调峰电站在内的20余项商业化示范项目。建成了300MW/年全钒液流电池储能产业化装备基地，形成了完整的自主知识产权体系，新一代液流电池技术完成在国内、外专利技术许可，并首次实现向欧洲发达国家技术许可和输出。

团队领军国内外液流电池标准的制定，引领全球液流电池技术的发展。作为国家能源局液流电池技术标准委员会主任委员单位、国际电器工业协会液流电池技术标准联合工作组（IEC/TC21 JWG7）的主要成员单位，牵头起草并制定了包括首项液流电池国际标准在内国际、国家和行业标准20余项。研究成果荣获“国家技术发明二等奖”、“中国石油和化学工业联合会专利金奖、“中国石油和化学工业联合会技术发明一等奖”、“辽宁省技术发明一等奖”、“中国科学院科技促进发展奖”、“中国科学院杰出科技成就奖”等科技奖励，成果入选“全国专利产业十大典型案例”和“中国科学院十二五重大标志性进展”。